昆明市盤龍江流域生態質量評價與影響因素分析

李 娟，李開兵，張金輝，周伍光

(1．廊坊市生態環境局三河市分局，065200，河北，廊坊；2．泰州醫藥高新區(高港區)農業農村局，225300，江蘇，泰州；3．四川省都江堰水利發展中心東風渠管理處，610051，成都)

0 引言

人類生存和發展離不開良好的生態環境，生態環境受人類活動影響非常大，因此對生態質量進行監測與評估非常必要[1]。遙感技術因具有能快速準確地獲得大范圍信息，且數據量大，不受地域限制等優點，在流域生態質量監測與評價中得到廣泛應用[2-5]。但大多生態系統評價方法只能利用某一生態環境指標進行生態監測，如使用植被指數評價森林的生態情況[6-8]，利用溫度指數評價城市熱島效應[9-10]，應用濕度指數評價河湖水質狀況[11-13]，利用建筑指數監測城市擴張速率[14-15]等。生態質量評價如只應用單一遙感指數指標不能較全面地揭示生態質量的變化[16]。徐涵秋提出了耦合綠度、濕度、熱度、干度4個指標的遙感生態指數(Remote Sensing Ecology Index，RSEI)，該方法完全基于遙感技術，采用主成分分析法確定權重，能夠定量評價生態質量變化程度，被廣泛使用[17]。遙感生態指數不但在城市生態質量評價中進行了大量的應用，如楊江燕[18]、楊永健等[19]基于遙感生態指數分別對雄安新區與遂寧市的城市生態質量變化進行了研究，也在流域生態質量評價中取得了長足進展，如任緩等[20]、彭麗媛等[21]利用遙感生態指數分別對石羊河流域、瑪納斯河流域生態質量進行了評價，為利用遙感生態指數在流域生態質量評價方面提供了參考。

盤龍江作為昆明市的母親河，其生態質量隨著城市化進程、經濟發展、文化傳承、政治政策等諸多因素的改變而上下波動[22]，因此非常有必要對盤龍江流域進行快捷、準確的生態質量的評價和演變分析。本研究利用遙感生態指數(RSEI)對盤龍江流域生態質量進行評價并對其影響因素進行分析，旨在從宏觀上掌握盤龍江流域生態質量發展的動態變化，了解其影響因素，檢驗生態環境治理的效果，為盤龍江流域生態質量評價與精確治理提供參考。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

盤龍江流域位于滇池流域北部(見圖1)，屬亞熱帶季風氣候，流域內主要河流為盤龍江，盤龍江全長108 km，徑流面積847 km2，是入滇池最大、最長的河道，貫穿整個昆明主城區，盤龍江流域內集中了昆明市的大部分成熟經濟帶。

圖1 盤龍江流域地理位置

1.2 數據來源及預處理

本研究采用Landsat系列遙感影像為數據源，從“地理空間數據云”網站(http://www.gscloud.cn/)免費獲取，其中1988年、2000年和2010年為Landsat 5 TM數據，2020 年為 Landsat 8 OLI 數據，均選用2月、云量較少且影像質量較好的影像。數據經過輻射定標、FLAASH大氣校正和幾何校正等預處理，配準的均方根誤差控制在0.5個像元以內。

1.3 遙感生態指數構建方法

1.3.1 各指數的構建方法 綠度、濕度、熱度、干度4個自然因子指標提取方法如下。

綠度指標采用歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)：

(1)

式中：ρNIR和ρRED分別代表近紅外波段和紅光波段的反射率。

濕度指標利用Landsat計算公式如下：

WET=c1ρ1+c2ρ2+c3ρ3+c4ρ4+c5ρ5+c6ρ6

(2)

式中：ρ1～ρ6分別表示藍波段、綠波段、紅波段、近紅外波段、短波紅外1波段及短波紅外2波段的反射率，c1～c6是傳感器參數。

熱度指標利用地表溫度(LST)來表示：

LST=T6/10/[1+(λ6/10*T6/10/ρ)lnε]

(3)

式中：T6/10采用Gyanesh Chander等修訂參數(和Landsat用戶手冊的模型來計算，λ6/10為熱紅外波段的中心波長，λ6=11.5、λ10=10.9；ρ=1.438×10-2m·K，ε為地物的比輻射率，其值根據Sobrino的模型通過NDVI進行估算，具體計算方法參考文獻[17]。

干度指標(NDSI)為裸土指數(SI)和建筑指數(IBI)兩者共同合成，分別表示由裸土和建筑用地造成的干度。

NDSI=(SI+IBI)/2

(4)

其中SI計算如下：

SI=[(ρ5+ρ3)-(ρ4+ρ1)]/[(ρ5+ρ3)+(ρ4+ρ1)]

(5)

其中IBI計算如下：

IBI={2ρ5/(ρ5+ρ4)-[ρ4/(ρ4+ρ3)]-[ρ2/(ρ2+ρ5)]}/{2ρ5/(ρ5+ρ4)+[ρ4/(ρ4+ρ3)]+[ρ2/(ρ2+ρ5)]}

(6)

式中：ρ1～ρ5分別代表藍光、綠光、紅光、近紅外、短波紅外 1 波段的反射率。

1.3.2 RSEI 的計算方法 將綠度、濕度、干度和熱度4個遙感指數經歸一化處理后，在ENVI軟件中合成新影像，再經過主成分分析，對其第一主成分經過進一步歸一化處理得到遙感生態指數。

RSEI0=1-PC(f(NDVI,Wet,NDSI,LST))

(7)

RSEI=(RSEI0-RSEI0min)/(RSEI0max-RSEI0min)

式中：RSEI為遙感生態指數，RSEI值越大，表示生態質量越好；反之，越差。

2 結果與討論

2.1 盤龍江流域各指數變化特征

各年份綠度、濕度、干度、熱度及遙感生態指數的統計值見表1。統計結果表明，1988年、2000年、2010年及2020年，盤龍江流域的遙感生態指數平均值分別為0.533、0.481、0.462和0.451，1988―2020年間遙感生態指數下降了約15.4%。資料表明，昆明城區在1990年以來快速擴展，并給離城區較近的盤龍江流域生態質量造成了一定的影響。從表 1中的各指標變化情況來看，綠度和濕度對生態質量有利的指標平均值呈現下降的趨勢，而熱度和干度對生態質量不利的指標平均值逐漸上升。4個指標的變化趨勢表明盤龍江流域的生態質量呈下降趨勢，說明本研究構建的RSEI生態指數可以綜合反映綠度、濕度、干度和熱度4個指標結果。

表1 各年份 4個指標和遙感生態指數 RSEI 的統計值

2.2 盤龍江流域生態質量評價

為了對盤龍江流域生態質量進行分析評價，將RSEI值分為5個等級來表示5 種生態狀況，即[0，0.2)、[0.2，0.4)、[0.4，0.6)、[0.6，0.8)和[0.8，1)，分別對應“差”“較差”“中”“良”和“優”等級。

從表2可知，1988―2020年盤龍江流域生態質量等級總體上以較差、中和良所占比例最高，85%以上的面積比例為此3個等級。自1988―2000年間，差與較差所占面積比例增加5.93%，但優和良所占比例大幅減少了21.29%；2000―2010 年，優和良所占比例下降3.56%，面積減少 21.44 km2，與此同時，差和較差等級所占比例增長7.48%；2010―2020年，差和較差等級所占比例增長0.73%，優和良所占比例增加1.39%。

表2 1988—2020年生態質量等級面積與比例表

由1988—2020年盤龍江流域生態質量空間分布圖(圖2)及現場調查可以看出，生態等級較高的區域主要是林地植被覆蓋區，生態較差的區域主要是位于城鎮生活區。1988—2000年盤龍江流域生態質量開始下降，其中南部地區有部分草地及耕地轉化為建設用地；2000—2010年間，盤龍江流域南部地區生態質量變化不大，中部地區的生態質量變化較為明顯；2010—2020年盤龍江流域生態質量體現在優良所占比例增大，差與較差比例也呈增加的趨勢。

圖2 1988—2020年盤龍江流域生態質量空間分布

2.3 盤龍江流域生態質量演變過程

為進一步揭示盤龍江流域生態質量的時空變化規律，通過ENVI軟件，將相鄰兩期遙感生態指數值做格柵差值運算。并且將差值運算的結果按值量化為7級，即：1級[-1，-0.5)、2級[-0.5，-0.3)、3級[-0.3，-0.1)、4級[-0.1，0.1)、5級[0.1，0.3)、6級[0.3，0.5)、7級[0.5，1]。1～7級分別表示生態質量出現顯著下降、明顯下降、略微下降、基本不變、略微上升、明顯上升、顯著上升。

從時間上看(表3)，1988—2020 年，盤龍江流域總體生態質量不變的面積占比為 38.25%，生態退化的面積占比為42.84%，生態改善的面積占比為18.90%，表明隨著城市建設進程的發展，盤龍江流域總體的生態質量與1988年相比質量變差。1)1988―2000年，生態不變的面積占比為20.91%，生態退化的面積占比為47.46%，生態改善的面積占比為 31.64%，表明生態質量明顯下降；2)2000―2010年，生態不變的面積占比為62.93%，生態退化的面積占比為23.21%，生態改善的面積占比為13.86%，表明該流域的生態質量明顯下降；3)2010―2020年，生態不變的面積占比為17.59%，生態改善與生態退化的面積占比分別為 38.61%與 43.80%，表明此10 a該流域生態質量略微退化。空間上(圖3)，盤龍江流域在1988―2020年中，生態質量變好的區域主要集中在流域北部及東南部，生態質量變差的區域主要集中在流域西南部及中部。

圖3 1988—2020年盤龍江流域生態質量變化圖

表3 生態質量等級和面積變化統計表

2.4 盤龍江流域生態質量變化影響因素

2.4.1 土地利用方式 盤龍江流域不同土地利用類型的遙感生態指數情況如圖4所示，不同土地利用類型其遙感生態指數有明顯的差異，林地的遙感生態指數值最高，耕地與水域次之，未利用地相對最低。這一結論與宋慧敏等[24]的相關研究結論一致，因為耕地與林地具有較高的植被覆蓋度、充足的水資源、豐富的生物量且較低的地表溫度，生態質量較高；水域由于其較大的濕度與較低的地表溫度，使其RSEI指數較高；而建設用地與未利用地植被覆蓋度較低，缺少水資源，并且土地貧瘠，RSEI指數較低。

圖4 盤龍江流域不同土地利用類型生態質量

2.4.2 高程與坡度 采用Spearman相關性分析方法，遙感生態指數與高程、坡度的相關系數分別為0.63和0.53(樣本數n=2 406)，說明遙感生態指數與高程和坡度具有顯著相關性(見圖5和圖6)。并且，因盤龍江流域高程低的區域為城鎮居住區，多為建設用地，因此該流域總體表現出高程低的區域生態質量較差。高程一定程度上影響著環境的光照、水分等因素，同時也影響著人類的活動程度。海拔高的地區受人類活動的影響較小，植被處于相對原始的狀態，低海拔地區受人類生產生活活動影響較大，地表覆蓋類型發生明顯的改變，多為建設用地或耕地。盤龍江流域坡度小的地區，生態質量也較差，坡度大的地區，生態質量也較好，這一結果與尹聰嫻等的研究結果一致[25]。因為低坡度地區適合人類的開發、建設等生產活動，受人類干預程度較大，因此生態質量相對較差。坡度高的地區開發利用較小，受人類干預程度較小，生態質量較好。因為坡度在一定程度上也會影響水土流失的程度與植被的覆蓋度，也存在著一些坡度較高的區域其生態質量較差。

圖5 盤龍江流域高程和坡度分布圖

圖6 盤龍江流域高程、坡度與遙感生態指數關系

3 結論

1)利用Landsat遙感數據得到各時期盤龍江流域綠度、濕度、熱度和干度指數數據，并采用遙感生態指數建立了生態質量評價模型，實現了盤龍江流域生態質量的監測和動態評估。

2)1988—2020年盤龍江流域生態質量等級總體上以較差、中和良為主，3個等級所占面積比例達到85%以上，土地利用方式為林地的其生態質量較高，城鎮生活區生態質量一般較差。

3)1988—2020年盤龍江流域總體生態質量退化的面積比例最高，占42.84%，表明隨著城市建設進程的發展，盤龍江流域總體的生態質量與1988年相比質量變差。

4)盤龍江流域不同土地利用類型之間的生態質量存在顯著差異，表現為林地的遙感生態指數值最高，耕地與水域次之，未利用地相對最低；坡度小的地區，因易于開發受人類影響較大，生態質量較差，坡度大的地區，生態質量較好。